KR101229824B1 - Photocatalysts for water splitting and synthesis methods thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물분해용 광촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 광조사 하에 광촉매로부터 생성된 전자와 정공이 순수한 물을 분해하여 수소를 발생시키는 효과를 가질 수 있다. The present invention relates to a photocatalyst for water decomposition and a method for producing the same, wherein electrons and holes generated from the photocatalyst under light irradiation may decompose pure water to generate hydrogen.

Description

물분해용 광촉매 및 이의 제조방법{Photocatalysts for water splitting and synthesis methods thereof} Photocatalysts for water splitting and synthesis methods

본 발명은 물분해용 광촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst for water decomposition and a preparation method thereof.

일반적으로 광촉매란 용어는 매우 광범위하게 사용되고 있어서 일치된 정의를 찾아보기가 힘들지만 이는 매우 넓은 의미의 정의로서 '광촉매'가 되기 위해서는 일반적으로 '촉매'로서의 조건을 만족시켜야 하고, 반드시 광원을 이용할 때를 지칭하여 사용된다. 다시 말해 광촉매는 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야 하며 기존의 광반응과 다른 메커니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속시켜야 하는데, 활성가능 지역(active site)당 생성물의 비(이를 turnover비라고 정의한다)가 1.0을 넘어야 한다는 것이다. 광촉매의 경우에는 active site의 수를 정확히 측정하기 어려워 활성가능 지역(active site)당 생성물의 비(이를 turnover비라고 정의한다)의 값을 구할 수 없는데, 하이드록실 음이온(OH- ; 약 1012 ~ 1015/cm2)에서 반응이 일어난다는 가정에서 계산된 대략적인 값은 1.0을 넘는 것으로 발표되었다.In general, the term photocatalyst is used so widely that it is difficult to find a consonant definition. However, it is a very broad definition, and in order to be a 'photocatalyst', it is generally required to satisfy the condition of 'catalyst'. Used to refer. In other words, the photocatalyst should not be consumed by directly participating in the reaction, but by accelerating the reaction rate by providing a mechanism mechanism different from the existing photoreaction. The ratio of the product per active site (this is defined as turnover ratio). Must exceed 1.0. In the case of photocatalysts, it is difficult to accurately measure the number of active sites, so the ratio of the product per active site (defined as turnover ratio) cannot be determined. The approximate value calculated on the assumption that the reaction occurs at / cm 2 ) is reported to be greater than 1.0.

이와 같은 광촉매가 광화학적 활성을 나타내기 위해서는 띠간격 에너지(Eg) 이상의 빛에너지가 필요한데, 이 에너지는 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠인 공유띠(valence band, VB)와 전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠인 전도띠(conduction band, CB)의 차이로, 전자가 점유할 수 없는 금지된 간격이며, 공유띠의 전자를 여기시켜 반응에 참여하는 전자/정공쌍을 생성시킬 수 있는 최소의 에너지이다. 이러한 띠간격은 연속적인 에너지 준위를 갖고 있어 전자/정공 재결합이 엄청나게 빠른 금속과는 달리 전자/정공의 빠른 재결합을 방지해준다. Such photocatalysts require light energy above the band gap energy (Eg) to exhibit photochemical activity, which is not occupied by the valence band (VB), the highest band of energy occupied by the electron. The difference in conduction band (CB), which is the lowest energy band, is a forbidden interval that electrons cannot occupy, and it is the minimum that can excite the electrons in the covalent band to create an electron / hole pair that participates in the reaction. Is energy. These bandgaps have a continuous energy level, which prevents the rapid recombination of electrons / holes, unlike metals with extremely fast electron / hole recombination.

한편, 최근 수소에너지는 연소시 물 이외의 다른 어떠한 부산물을 유발하지 않기 때문에, 미래 에너지원으로 큰 주목을 받고 있다. 또한, 광촉매를 이용한 물 분해 반응 기술은 띠 간격 에너지를 가지는 광촉매 물질에 띠 간격 이상의 에너지를 가지는 빛을 조사할 경우 발생하는 가전도대의 정공과 전도대의 전자를 이용하여 물을 분해하여 산소와 수소를 생산하는 기술로서, 이러한 물 분해 반응 기술을 이용할 경우 풍부한 수자원과 태양 에너지로부터 청정 에너지원인 수소에너지를 직접 얻을 수 있기 때문에 큰 각광을 받고 있다. 자외선광 하에서 우수한 물분해 활성을 나타내는 광촉매로는 K4Nb6O17, BaTiO4, NaTaO3, La2Ti2O7 등이 있으며, 특히 층상 페롭스카이트 구조를 가지는 La2Ti2O7는 독특한 전자구조를 가짐으로 인해 뛰어난 활성을 보인다(Kim, H. G. Hwang, D. W. Kim, J. Kim, Y. G. Lee, J. S. Chem. Commun . 1999,1077; Hwang, D. W. Kim, H. G. Kim, J. Cha, K. Y. Kim, Y. G. Lee, J. S. J. Catal . 2000,193,40.). 그럼에도 불구하고 광촉매를 이용한 물분해 기술이 실용적인 관점에서 적용되기 위해서는, 보다 활성이 우수한 광촉매의 개발이 요구되고 있는 실정이다. Meanwhile, since hydrogen energy does not cause any by-products other than water during combustion, it has attracted great attention as a future energy source. In addition, the water decomposition reaction technology using a photocatalyst decomposes water using oxygen and hydrogen in the electric conduction band of holes and conduction bands generated when the photocatalyst having a band gap energy is irradiated with light having an energy above the band gap. As a technology for producing, such a water decomposition reaction technology is receiving great attention because it can directly obtain hydrogen energy, a clean energy source, from abundant water resources and solar energy. A photocatalyst which exhibits excellent water-splitting activity under ultraviolet light is K 4 Nb 6 O 17, BaTiO 4, NaTaO 3, La 2 Ti 2 O 7 and the like, in particular La 2 Ti 2 O 7 having a layered perovskite structure, Excellent activity due to its unique electronic structure (Kim, HG Hwang, DW Kim, J. Kim, YG Lee, JS Chem. Commun. 1999, 1077; Hwang, DW Kim, HG Kim, J. Cha, KY Kim , YG Lee, JSJ Catal. 2000, 193, 40.). Nevertheless, in order to apply the water decomposition technology using a photocatalyst from a practical point of view, the development of a photocatalyst with better activity is required.

본 발명은 광조사 하에 광촉매로부터 생성된 전자와 정공이 순수한 물을 분해하여 수소를 발생시키는 물분해용 광촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a photocatalyst for water decomposition and a method for producing the same, wherein the electrons and holes generated from the photocatalyst under light irradiation decompose pure water to generate hydrogen.

본 발명에 따른 일 구현예는 하기 화학식 1로 표시되는 물분해용 광촉매이다.One embodiment according to the present invention is a photocatalyst for water decomposition represented by the following Chemical Formula 1.

<화학식 1> &Lt; Formula 1 >

Zn3M2O8 Zn 3 M 2 O 8

(상기 식에서 M은 Nb 또는 Ta이다.)
(Wherein M is Nb or Ta)

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 상기 광촉매는 Pt, Pd, Ag, Ru 및 Ni 중에서 선택되는 어느 하나의 금속원소를 담지하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매이다. Another embodiment according to the present invention is a photocatalyst for water decomposition, characterized in that the photocatalyst supports any one metal element selected from Pt, Pd, Ag, Ru, and Ni.

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 상기 금속원소는 광촉매에 대하여 0.1 내지 1중량%로 담지되는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매이다. According to another embodiment of the present invention, the metal element is a photocatalyst for water decomposition, characterized in that supported by 0.1 to 1% by weight relative to the photocatalyst.

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 ZnO와 금속 산화물을 분쇄하여 혼합한 후, 소성하여 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 물분해용 광촉매의 제조방법이다. Another embodiment according to the present invention is a method of preparing a photocatalyst for water decomposition to prepare a compound represented by the following Chemical Formula 1 by pulverizing and mixing ZnO and a metal oxide.

<화학식 1> &Lt; Formula 1 >

Zn3M2O8 Zn 3 M 2 O 8

(상기 식에서 M은 Nb 또는 Ta이다.)(Wherein M is Nb or Ta)

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 상기 금속 산화물은 Nb2O5 또는 Ta2O5인 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법이다. Another embodiment according to the present invention is a method for producing a photocatalyst for water decomposition, characterized in that the metal oxide is Nb 2 O 5 or Ta 2 O 5 .

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 상기 ZnO대 금속 산화물의 몰비가 3:1이 되도록 칭량하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법이다. Another embodiment according to the present invention is a method for preparing a photocatalyst for water decomposition, characterized in that the mixture is weighed and mixed so that the molar ratio of ZnO to metal oxide is 3: 1.

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 상기 소성은 1100 내지 1300℃에서 2 내지 10시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법이다. Another embodiment according to the present invention is a firing method for producing a photocatalyst for water decomposition, characterized in that carried out for 2 to 10 hours at 1100 to 1300 ℃.

본 발명에 따른 다른 일 구현예는 상기 소성 후 Pt, Pd, Ag, Ru 및 Ni 중에서 선택되는 어느 하나의 금속원소를 가지는 화합물 용액에 침지한 후 광조사하여 스터링(stirring)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법이다. Another embodiment according to the present invention further comprises the step of sterling by immersion in the compound solution having any one metal element selected from Pt, Pd, Ag, Ru and Ni after the firing and then irradiated with light It is a manufacturing method of the photocatalyst for water decomposition characterized by the above-mentioned.

본 발명에 따른 광촉매는 가시광선에 감응할 수 있고, 광여기한 전자와 정공이 물을 분해할 수 있어 수소를 발생시킬 수 있으며, 지구상에 풍부하고 저렴한 아연계를 출발물질으로 사용하는 장점을 가진다. The photocatalyst according to the present invention can be sensitive to visible light, and can generate hydrogen due to the photoexcitation of electrons and holes to decompose water, and has the advantage of using abundant and cheap zinc-based as a starting material on the earth. .

도 1은 본 발명의 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매 결정 구조를 나타낸 것이다((a)Zn3Nb2O8 ; (b) Zn3Ta2O8).
도 2는 Zn3M2O8 광촉매의 전자띠 구조(Electronic band structures) 및 상태 밀도(density of states (DOS))를 나타낸 그래프이다((a)Zn3Nb2O8 ; (b) Zn3Ta2O8)
도 3은 본 발명에 따른 Zn3Nb2O8 (1100℃) 광촉매의 XRD 및 FESEM 사진을 측정한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 Zn3Ta2O8 (1300℃) 광촉매의 XRD 및 FESEM 사진을 측정한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 (a) UV-Vis diffuse reflectance spectra 및 (b) optical band gap을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매를 이용하여 제조한 박막 전극(thick film electrodes)의 Mott-Schottky plots을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 전도띠 및 공유띠의 전위를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 UV 조사 하에서의 수소 발생을 나타낸 그래프이다((a) Zn3Nb2O8 및 Pt 공촉매를 포함하는 Zn3Nb2O8 (b) Zn3Ta2O8 및 Pt 공촉매를 포함하는 Zn3Ta2O8).
도 9는 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 광촉매 반응 전과 후의 XRD를 측정한 그래프이다((a) 및 (b) : Zn3Nb2O8 , (c) 및 (d) : Zn3Ta2O8).
1 is Zn 3 M 2 O 8 of the present invention (M = Nb, Ta) shows a photocatalyst crystal structure ((a) Zn 3 Nb 2 O 8 ; (b) Zn 3 Ta 2 O 8 ).
FIG. 2 is a graph showing electron band structures and density of states (DOS) of a Zn 3 M 2 O 8 photocatalyst ((a) Zn 3 Nb 2 O 8 ; (b) Zn 3 Ta 2 O 8 )
3 is an XRD and FESEM photograph of the Zn 3 Nb 2 O 8 (1100 ° C.) photocatalyst according to the present invention.
4 is an XRD and FESEM photograph of a Zn 3 Ta 2 O 8 (1300 ° C.) photocatalyst according to the present invention.
5 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) is a graph measuring the (a) UV-Vis diffuse reflectance spectra and (b) optical band gap of the photocatalyst.
6 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention It is a graph showing Mott-Schottky plots of thick film electrodes prepared using (M = Nb, Ta) photocatalyst.
7 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) A graph showing the potentials of the conduction band and the covalent band of the photocatalyst.
8 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) is a graph showing a hydrogen generation under UV irradiation of the photocatalyst ((a) Zn 3 Nb 2 O 8 and Zn containing Pt cocatalyst 3 Nb 2 O 8 (b) Zn 3 Ta 2 O 8 And Zn 3 Ta 2 O 8 ) comprising a Pt cocatalyst.
9 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) A graph measuring XRD before and after photocatalytic reaction of photocatalyst ((a) and (b): Zn 3 Nb 2 O 8 , (c) and (d): Zn 3 Ta 2 O 8 ) .

본 발명의 일 구현예에 따르면 하기 화학식 1로 표시되는 물분해용 광촉매를 제공하는 것이다.According to an embodiment of the present invention to provide a photocatalyst for water decomposition represented by the following formula (1).

<화학식 1> &Lt; Formula 1 >

Zn3M2O8 Zn 3 M 2 O 8

(상기 식에서 M은 Nb 또는 Ta이다.)
(Wherein M is Nb or Ta)

상기 화학식 1로 표시되는 화합물인 물분해용 광촉매는 결정 내에 Nb-O 또는 Ta-O 팔각형이 층상 구조로 나열되어 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 Nb-O 은 Ta-O 팔각형은 결정의 전자구조 형성에 큰 영향을 미치게 되는데, 공유띠의 가장 윗부분(HOMO; Highest occupied molecular orbital)의 산소의 2p 궤도가 가장 크게 관여하게 되며, 전도띠의 가장 아랫부분(LUMO:Lowest unoccupied molecular orbital)은 Nb 혹은 Ta의 d 궤도가 가장 크게 관여하게 된다. 또한 상기 물분해용 광촉매는 도7에서와 보는 것 같이 공유띠는 표준수소전극(NHE: Normal hydrogen electrode)대비 1.23V보다 양의 값을 가지며, 전도띠는 0V보다 충분히 음의 값을 갖기 때문에, 광 감응하에서 물을 분해하여, 수소를 효과적으로 발생시킬 수 있다. As the photocatalyst for water decomposition, which is a compound represented by Chemical Formula 1, it can be seen that Nb-O or Ta-O octagons are arranged in a layered structure in the crystal. These Nb-O octagonal Ta-O octagons have a great influence on the formation of the crystal's electronic structure, and the 2p orbits of oxygen in the highest occupied molecular orbital (HOMO) are most involved. At the bottom (LUMO: Lowest unoccupied molecular orbital), the d-orbit of Nb or Ta is most involved. In addition, the photocatalyst for water decomposition has a positive value greater than 1.23 V compared to a normal hydrogen electrode (NHE) as shown in FIG. 7, and the conduction band has a sufficiently negative value than 0 V. Water can be decomposed under induction to effectively generate hydrogen.

상기 광촉매는 Pt, Pd, Ag, Ru 및 Ni 중에서 선택되는 어느 하나의 금속원소를 담지하는 것이 보다 바람직하다. As for the photocatalyst, it is more preferable to support any one metal element selected from Pt, Pd, Ag, Ru, and Ni.

상기 금속원소는 공촉매(co-catalyst) 역할을 하는 것으로 상기 광촉매에 담지시키는 경우 광여기된 전자와 정공이 쉽게 이동하여 수소 발생을 더 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. The metal element acts as a co-catalyst, and when supported on the photocatalyst, photoexcited electrons and holes can be easily moved to obtain an effect of further improving hydrogen generation.

상기 금속원소는 광촉매에 대하여 0.1 내지 1중량%로 담지되는 것이 바람직하다. The metal element is preferably supported by 0.1 to 1% by weight based on the photocatalyst.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, ZnO와 금속 산화물을 분쇄하여 혼합한 후, 소성하여 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 물분해용 광촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.
According to another embodiment of the present invention, ZnO and metal oxides are pulverized and mixed, and then calcined to provide a method for preparing a photocatalyst for water decomposition to prepare a compound represented by the following Chemical Formula 1.

<화학식 1> &Lt; Formula 1 >

Zn3M2O8 Zn 3 M 2 O 8

(상기 식에서 M은 Nb 또는 Ta이다.)
(Wherein M is Nb or Ta)

먼저, 원료물질인 ZnO와 금속 산화물을 분쇄한다. First, the raw material ZnO and the metal oxide are pulverized.

상기 금속 산화물은 Nb2O5 또는 Ta2O5이다. The metal oxide is Nb 2 O 5 or Ta 2 O 5 .

상기 원료물질을 분쇄한 후 혼합하는데, 이때 상기 ZnO대 금속 산화물의 몰비가 3:1이 되도록 칭량하여 혼합하는 것이 바람직하다. The raw material is pulverized and mixed. At this time, it is preferable to mix and measure the molar ratio of ZnO to metal oxide to be 3: 1.

이어서, 혼합한 원료물질은 1100 내지 1300℃에서 2 내지 10시간 동안 소성하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물인 광촉매를 제조한다. Subsequently, the mixed raw materials are fired at 1100 to 1300 ° C. for 2 to 10 hours to prepare a photocatalyst as a compound represented by Chemical Formula 1.

이때, 상기 소성 후 Pt, Pd, Ag, Ru 및 Ni 중에서 선택되는 어느 하나의 금속원소를 가지는 화합물 용액에 침지한 후 광조사하여 스터링(stirring)시키는 단계를 더 실시할 수 있다. At this time, the step of immersion in the compound solution having any one metal element selected from Pt, Pd, Ag, Ru and Ni after the firing and then irradiated with light may be further performed.

이를 구체적으로 일례를 들어 설명하면, 상기 금속원소 중 백금(Pt)를 담지시키는 경우 파이렉스 소재의 비커에 광촉매와 백금을 가지는 화합물 용액인 H2PtCl6·6H2O을 광촉매에 대하여 백금이 0.5중량% 담지되도록 상기 화합물 용액과 광촉매를 칭량하여 이들을 함께 넣고 수은램프를 이용하여 광조사하면서 10시간 이상 스터링(Stirring)하는 것으로 광흡착(photodeposition)시켜 백금을 광촉매에 담지시킬 수 있다. In detail, for example, when platinum (Pt) is supported in the metal element, 0.5 wt% of platinum is used as a photocatalyst for H 2 PtCl 6 .6H 2 O, a compound solution having a photocatalyst and platinum in a beaker of Pyrex material. Platinum may be supported on the photocatalyst by photodeposition by weighing the compound solution and the photocatalyst so that they are loaded with% and stirring for 10 hours while irradiating light using a mercury lamp.

상기 금속원소를 담지시키는 단계를 더 실시하여 광촉매에 상기 금속원소를 담지시키는 경우 공촉매가 광촉매에 의하여 생성된 전자와 정공을 쉽게 이동할 수 있게 하여 수소 발생을 더 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
When the metal element is supported on the photocatalyst by carrying out the step of supporting the metal element, a cocatalyst may easily move electrons and holes generated by the photocatalyst, thereby further improving hydrogen generation. .

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 설명한다.  그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments and comparative examples of the present invention will be described. However, the following embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.

<< 실시예Example 1> 1>

ZnO와 Nb2O5 분말을 24시간 동안 볼 밀링(ball milling; zirconia media)하여 분쇄한 후, ZnO대 Nb2O5의 몰비가 3 : 1이 되도록 칭량하여 혼합하였다. ZnO and Nb 2 O 5 powders were ground by ball milling (zirconia media) for 24 hours, and then weighed and mixed such that the molar ratio of ZnO to Nb 2 O 5 was 3: 1.

상기 혼합물을 1100℃에서 10시간 동안 소성하여 Zn3Nb2O8인 광촉매를 제조하였다. The mixture was calcined at 1100 ° C. for 10 hours to prepare a photocatalyst of Zn 3 Nb 2 O 8 .

<< 실시예Example 2> 2>

ZnO와 Ta2O5 분말을 24시간 동안 볼 밀링(ball milling; zirconia media)하여 분쇄한 후, ZnO대 Ta2O5의 몰비가 3 : 1이 되도록 칭량하여 혼합하였다. ZnO and Ta 2 O 5 powders were ground by ball milling (zirconia media) for 24 hours, and then weighed and mixed such that the molar ratio of ZnO to Ta 2 O 5 was 3: 1.

상기 혼합물을 1300℃에서 10시간 동안 소성하여 Zn3Ta2O8인 광촉매를 제조하였다.
The mixture was calcined at 1300 ° C. for 10 hours to prepare a photocatalyst of Zn 3 Ta 2 O 8 .

<< 실시예Example 3> 3>

제조예 1에 따라 제조된 Zn3Nb2O8 광촉매와 H2PtCl6·6H2O 용액을 광촉매에 대하여 백금이 0.5중량% 담지되도록 상기 화합물 용액과 광촉매를 칭량하여 광촉매를 상기 화합물 용액에 침지한 후, 수은램프를 이용하여 광조사하면서 10시간 이상 스터링시켜 Pt를 상기 광촉매의 표면에 담지시켰다.
The Zn 3 Nb 2 O 8 photocatalyst prepared according to Preparation Example 1 and the H 2 PtCl 6 .6H 2 O solution were weighed into the compound solution and the photocatalyst so that platinum was supported by 0.5 wt% with respect to the photocatalyst, and the photocatalyst was immersed in the compound solution. After that, the Pt was supported on the surface of the photocatalyst by stirring with light using a mercury lamp for at least 10 hours.

<< 실시예Example 4> 4>

제조예 2에 따라 제조된 Zn3Ta2O8 광촉매와 H2PtCl6·6H2O 용액을 광촉매에 대하여 백금이 0.5중량% 담지되도록 상기 화합물 용액과 광촉매를 칭량하여 광촉매를 상기 화합물 용액에 침지한 후, 수은램프를 이용하여 광조사하면서 10시간 이상 스터링시켜 Pt를 상기 광촉매의 표면에 담지시켰다.
The Zn 3 Ta 2 O 8 photocatalyst prepared according to Preparation Example 2 and the H 2 PtCl 6 .6H 2 O solution were weighed into the compound solution and the photocatalyst so that platinum was supported by 0.5 wt% with respect to the photocatalyst, and the photocatalyst was immersed in the compound solution. After that, the Pt was supported on the surface of the photocatalyst by stirring with light using a mercury lamp for at least 10 hours.

실시예 1 내지 2에 따라 제조된 광촉매는 아래와 같이 그 특성을 측정하였다.
Photocatalysts prepared according to Examples 1 and 2 were measured as follows.

1. 결정 구조는 X-ray powder diffractometer(XRD; Macscience,M18XHF, Yokohama, Japan)를 이용하여 측정하였다. 1. Crystal structure was measured using an X-ray powder diffractometer (XRD; Macscience, M18XHF, Yokohama, Japan).

2. 모폴로지(morphologies)는 filed-emission scanning electron microsope(FESEM; Jeol,JSM-6330F, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였다.2. Morphologies were measured using filed-emission scanning electron microsope (FESEM; Jeol, JS-6330F, Tokyo, Japan).

3. 표면적 분석은 Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areaanalyzer (ASAP 2010, Micromeritics Instrument Corporation,Norcross, GA)를 이용하여 측정하였다. 3. Surface area analysis was performed using Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analyzer (ASAP 2010, Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA).

4. 확산반사 스펙트라(Diffuse reflectance spectra)는 UV-VIS spectrophotometer (Model Lamda 35, Perkin Elmer, United Kingdom)를 이용하여 측정하였다. 4. Diffuse reflectance spectra were measured using a UV-VIS spectrophotometer (Model Lamda 35, Perkin Elmer, United Kingdom).

5. 광전지화학(photoelectrochemical) 특성은 Pt 상대전극(platinum counter electrode)과 포화 칼로멜 기준전극(saturated calomel referenceelectrode (SCE))를 가지는 통상적인 3전극셀(three-electrode cell)를 이용하여 potentiostat (CHI 608A, CHInstruments)를 통하여 측정하였다. 5. Photoelectrochemical characterization is achieved using potentiostat (CHI 608A) using a conventional three-electrode cell with a Pt counter electrode and a saturated calomel reference electrode (SCE). , CHInstruments).

6. 광촉매 활성 평가는 광촉매 물질을 반응기에 물과 함께 넣은 후, 스터링을 하면서 고압 수은등을 조사하며 가스 크로마트그래프(GC)에 의하여 측정하였다.
6. Photocatalytic activity was measured by gas chromatograph (GC) while irradiating a high pressure mercury lamp while putting a photocatalytic material with water in a reactor and stirring.

전자띠Electronic strip 구조( rescue( ElectronicElectronic bandband structuresstructures ) 분석) analysis

도 1은 본 발명의 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매 결정 구조를 나타낸 것이다((a)Zn3Nb2O8 ; (b) Zn3Ta2O8). 1 is Zn 3 M 2 O 8 of the present invention (M = Nb, Ta) shows a photocatalyst crystal structure ((a) Zn 3 Nb 2 O 8 ; (b) Zn 3 Ta 2 O 8 ).

도 1에서 보는 바와 같이, Nb-O 혹은 Ta-O 팔각형 구조가 존재하는 것을 알 수 있다. As shown in Figure 1, it can be seen that the Nb-O or Ta-O octagonal structure is present.

도 2는 Zn3M2O8 광촉매의 전자띠 구조(Electronic band structures) 및 상태 밀도(density of states (DOS))를 나타낸 그래프이다((a)Zn3Nb2O8 ; (b) Zn3Ta2O8)FIG. 2 is a graph showing electron band structures and density of states (DOS) of a Zn 3 M 2 O 8 photocatalyst ((a) Zn 3 Nb 2 O 8 ; (b) Zn 3 Ta 2 O 8 )

도 2에서 보는 바와 같이, Nb-O 혹은 Ta-O가 전자구조에 깊게 관여함을 알 수 있다. As shown in Figure 2, it can be seen that Nb-O or Ta-O is deeply involved in the electronic structure.

이로부터 Nb 4d 오비탈(orbital) 및 Ta 5d 오비탈이 Zn3M2O8(M= Nb, Ta)의 전도띠(conduction band)에 영향을 주어 수소를 발생시키는 광촉매 특성을 향상시킴을 알 수 있다. 대개의 경우 산화물의 경우 전도띠는 물을 분해하여 수소를 발생시키는 데 충분하지 못하나, 본 발명에 따른 Zn3M2O8(M= Nb, Ta)은 Nb와 Ta의 전도띠에의 기여로 높은 환원력을 갖고 있어 광감응하여 수소를 발생시키기에 유리하다.
From this, it can be seen that the Nb 4d orbital and Ta 5d orbital affect the conduction band of Zn 3 M 2 O 8 (M = Nb, Ta) to improve the photocatalyst characteristic of generating hydrogen. . In most cases, for oxides, the conduction band is not sufficient to decompose water to generate hydrogen, but Zn 3 M 2 O 8 (M = Nb, Ta) according to the present invention is high due to the contribution of the conduction band of Nb and Ta. It has a reducing power, which is advantageous for generating hydrogen by photosensitization.

광촉매의Photocatalyst 결정구조 분석 Crystal structure analysis

도 3은 본 발명에 따른 Zn3Nb2O8 (1100℃) 광촉매의 XRD 및 FESEM 사진을 측정한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 Zn3Ta2O8 (1300℃) 광촉매의 XRD 및 FESEM 사진을 측정한 것이다. 모든 반사피크(reflection peak)는 Zn3Nb2O8 (JCPDS No.50-1725)의 단사정(monoclinic phase) 및 Zn3Ta2O8 (JCPDS No.52-1764)의 단사정에서 찾았고, 다른 상들은 관찰되지 않았다.
FIG. 3 shows XRD and FESEM photographs of a Zn 3 Nb 2 O 8 (1100 ° C.) photocatalyst according to the present invention. FIG. 4 shows XRD and FESEM of a Zn 3 Ta 2 O 8 (1300 ° C.) photocatalyst according to the present invention. It is a photograph. All reflection peaks are Zn 3 Nb 2 O 8 Monoclinic phase and Zn 3 Ta 2 O 8 (JCPDS No.50-1725) (JCPDS No. 52-1764) found in the monoclinic, no other phases observed.

광학적 흡수(Optical absorption ( OpticalOptical absorptionabsorption ) 특성 분석Characterization

도 5는 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 (a) UV-Vis diffuse reflectance spectra 및 (b) optical band gap을 측정한 그래프이다. 5 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) is a graph measuring the (a) UV-Vis diffuse reflectance spectra and (b) optical band gap of the photocatalyst.

도 5에서 보는 바와 같이, Zn3Nb2O8 광촉매의 295nm 및 Zn3Ta2O8 광촉매의 269nm에서 흡수한계(absorption edges)가 나타남을 알 수 있다. 이러한 전자띠(electronic band)로부터 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매는 빛을 효과적으로 흡수함을 알 수 있다.
As shown in FIG. 5, Zn 3 Nb 2 O 8 295nm and Zn 3 Ta 2 O 8 in Photocatalyst It can be seen that absorption edges appear at 269 nm of the photocatalyst. From this electronic band Zn 3 M 2 O 8 It can be seen that the (M = Nb, Ta) photocatalyst effectively absorbs light.

표면 특성 및 띠 전위 특성 분석Surface and band dislocation characterization

도 6은 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매를 이용하여 제조한 박막 전극(thick film electrodes)의 Mott-Schottky plots을 나타낸 그래프이다. Mott-Schottky equation은 다음과 같다.
6 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention It is a graph showing Mott-Schottky plots of thick film electrodes prepared using (M = Nb, Ta) photocatalyst. The Mott-Schottky equation is

1/C2 = (2/ε0εsqND)[V-Vfb-(kBT/q)]1 / C 2 = (2 / ε 0 ε s qN D) [VV fb - (k B T / q)]

여기서 C는 전극/전해질 계면 사이의 정전용량이며, V는 전극/전해질 계면 사이의 전극의 전압을 뜻한다. 그리고 ε0 와 εs 는 자유공간과 박막 전극의 유전 상수를 뜻하며, q는 전하량, Vfb 는 플랫밴드 포텐셜 값, K는 온도, ND는 도너 밀도, V는 가해진 전압, kB는 볼츠만 컨스탄트를 뜻한다. 여기서 Vfb는 측정한 그래프의 연장선이 1/C2 = 0 일때인 x절편의 값으로 구한다.
Where C is the capacitance between the electrode / electrolyte interface and V is the voltage of the electrode between the electrode / electrolyte interface. And ε 0 and ε s are the dielectric constants of free space and thin film electrode, q is charge amount, V fb is flat band potential value, K is temperature, ND is donor density, V is applied voltage, kB is Boltzmann constant It means. Where Vfb is the value of x-intercept when the extension line of the measured graph is 1 / C 2 = 0.

도 6에서 보는 바와 같이 플랫밴드 포텐셜 값은 모두 음의 값을 가지며, 상기 광촉매는 n형 반도체의 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 6, all of the flat band potential values have negative values, and the photocatalyst has characteristics of n-type semiconductors.

도 7은 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 전도띠 및 공유띠의 전위를 나타낸 그래프이다. 이는 전기음성도를 통하여 전도띠와 공유띠의 전위를 계산한 것으로 다음의 식을 사용하였다. 7 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) A graph showing the potentials of the conduction band and the covalent band of the photocatalyst. The electric potential of the conduction band and the covalent band was calculated by electronegativity. The following equation was used.

Evb = EN - Ee + 0.5 × EgE vb = EN-E e + 0.5 × Eg

여기서 Evb 는 공유띠의 전위이다. EN는 물질의 전기 음성도로 각 구성 원자의 전기음성도의 기하 평균으로부터 구하였다. 그리고 Ee 는 표준 수소 전위에서 자유 전자의 에너지를 뜻하며 마지막으로 Eg 는 밴드갭으로 UV-Vis 스펙트로미터로 측정한 광흡수 특성을 분석하여 얻은 값으로 계산하였다.
Where E vb is the potential of the covalent band. EN was obtained from the geometric mean of the electronegativity of each constituent atom as the electronegativity of the material. E e represents the energy of free electrons at the standard hydrogen potential. Finally, E g is calculated by analyzing the light absorption characteristics measured by UV-Vis spectrometer with band gap.

도 7에서 보는 바와 같이 상기 물분해용 광촉매의 공유띠는 표준수소전극(NHE : Normal hydrogen electrode)대비 1.23V보다 양의 값을 가지며, 전도띠는 0V보다 충분히 음의 값을 갖기 때문에, 광 감응하에서 물을 분해하여, 수소를 효과적으로 발생시킬 수 있다.
As shown in FIG. 7, the covalent band of the photocatalyst for water decomposition has a positive value greater than 1.23 V compared to a normal hydrogen electrode (NHE), and the conduction band has a sufficiently negative value greater than 0 V, under light sensitivity. By decomposing water, hydrogen can be generated effectively.

광촉매Photocatalyst 활성 분석 Activity analysis

도 8은 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 UV 조사 하에서의 수소 발생을 나타낸 그래프이다((a) Zn3Nb2O8 및 Pt 공촉매를 포함하는 Zn3Nb2O8 (b) Zn3Ta2O8 및 Pt 공촉매를 포함하는 Zn3Ta2O8). 8 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) is a graph showing a hydrogen generation under UV irradiation of the photocatalyst ((a) Zn 3 Nb 2 O 8 and Zn containing Pt cocatalyst 3 Nb 2 O 8 (b) Zn 3 Ta 2 O 8 And Zn 3 Ta 2 O 8 ) comprising a Pt cocatalyst.

도 8에서 보는 바와 같이 광조사하에 수소가 효과적으로 발생함을 알 수 있다. As shown in FIG. 8, it can be seen that hydrogen is effectively generated under light irradiation.

도 9는 본 발명에 따른 Zn3M2O8 (M= Nb, Ta) 광촉매의 광촉매 반응 전과 후의 XRD를 측정한 그래프이다((a) 및 (b) : Zn3Nb2O8 , (c) 및 (d) : Zn3Ta2O8).9 is Zn 3 M 2 O 8 according to the present invention (M = Nb, Ta) A graph measuring XRD before and after photocatalytic reaction of photocatalyst ((a) and (b): Zn 3 Nb 2 O 8 , (c) and (d): Zn 3 Ta 2 O 8 ) .

도 9에서 보는 바와 같이 광조사 반응 후, 상의 변화가 없이 광촉매의 역할을 효과적으로 수행함을 알 수 있다.
As shown in FIG. 9, it can be seen that after the light irradiation reaction, the photocatalyst effectively performs the role of the photocatalyst without changing the phase.

광촉매Photocatalyst 특성 분석 결론 Characterization conclusion

상술한 본 발명에 따른 광촉매의 특성 분석 결과에서 보는 바와 같이 광조사하에 전자와 정공이 발생하여 효과적으로 순수한 물을 분해하여 수소를 발생시키는 것이 가능하였다. 또한 Pt 공촉매를 담지한 경우, 광촉매 활성이 향상 되는 것을 관찰 할 수 있었다.
As can be seen from the above-described photocatalytic characterization of the photocatalyst, electrons and holes were generated under light irradiation to effectively decompose pure water to generate hydrogen. In addition, when the Pt cocatalyst was supported, it was observed that the photocatalytic activity was improved.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. 
All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

Claims (8)

하기 화학식 1로 표시되는 물분해용 광촉매.
<화학식 1>
Zn3M2O8
(상기 식에서 M은 Nb 또는 Ta이다.)
The photocatalyst for water decomposition represented by the following formula (1).
&Lt; Formula 1 >
Zn 3 M 2 O 8
(Wherein M is Nb or Ta)
제1항에 있어서, 상기 광촉매는 Pt, Pd, Ag, Ru 및 Ni 중에서 선택되는 어느 하나의 금속원소를 담지하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매. The photocatalyst for water decomposition of claim 1, wherein the photocatalyst carries one metal element selected from Pt, Pd, Ag, Ru, and Ni. 제2항에 있어서, 상기 금속원소는 광촉매에 대하여 0.1 내지 1중량%로 담지되는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매.The photocatalyst for water decomposition of claim 2, wherein the metal element is supported in an amount of 0.1 to 1 wt% based on the photocatalyst. ZnO와 금속 산화물을 분쇄하여 혼합한 후, 소성하여 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 물분해용 광촉매의 제조방법.
<화학식 1>
Zn3M2O8
(상기 식에서 M은 Nb 또는 Ta이다.)
A method of producing a photocatalyst for water decomposition in which ZnO and a metal oxide are ground and mixed, and then calcined to produce a compound represented by the following Chemical Formula 1.
&Lt; Formula 1 >
Zn 3 M 2 O 8
(Wherein M is Nb or Ta)
제4항에 있어서, 상기 금속 산화물은 Nb2O5 또는 Ta2O5인 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법. The method of claim 4, wherein the metal oxide is Nb 2 O 5 or Ta 2 O 5 . 제4항에 있어서, 상기 ZnO대 금속 산화물의 몰비가 3:1이 되도록 칭량하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법. The method for producing a photocatalyst for water decomposition according to claim 4, wherein the molar ratio of the ZnO to the metal oxide is 3: 1 and mixed. 제4항에 있어서, 상기 소성은 1100 내지 1300℃에서 2 내지 10시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법. The method of claim 4, wherein the firing is performed at 1100 to 1300 ° C. for 2 to 10 hours. 제4항에 있어서, 상기 소성 후 Pt, Pd, Ag, Ru 및 Ni 중에서 선택되는 어느 하나의 금속원소를 가지는 화합물 용액에 침지한 후 광조사하여 스터링(stirring)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4, further comprising the step of immersion in a compound solution having any one of metal elements selected from Pt, Pd, Ag, Ru and Ni after light firing, followed by sterling. Method of producing a photocatalyst for water decomposition.
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